В этом отчёте я хочу представить свою очередную разработку — Zmodell ZM05A, самый маленький цифровой декодер в мире, существующий в настоящее время на рынке. Размер декодера – всего 9 х 5 х 2 мм.
После успешного лицензирования аппаратно-программной технологии цифровых декодеров у компании Doehler & Haass два года назад, я разработал ряд цифровых декодеров для некоторых моделей масштаба Z, таких как тепловозов DB V80, V188, электровоза SBB CE 6/8 III, рельсового автобуса DB VT98, а также американского маневрового тепловоза SW1500. В результате полученного опыта я решил разработать универсальный декодер минимально возможного размера, основной сферой применения которого являлась бы оцифровка паровозов масштаба Z, в которых, ввиду очевидных особенностей конструкции, в большинстве случаев чрезвычайно мало места для чего-либо дополнительного, включая декодеры.
Основу технологии Doehler & Haass составляет проприетарный чип 2-го поколения SDH119-2, уже включающий в себя основные составляющие, такие как шим-управление двигателем с функцией управления нагрузкой, а также ряд усиленных выходов для управления световыми функциями и несколько дополнительных выходов AUX. Это позволяет создавать декодеры с минимальным количеством внешних дискретных компонентов. Именно с использованием этого чипа и построен мой декодер. Дополнительная информация находится на сайте производителя (на немецком языке):
https://doehler-haass.de/cms/pages/uebe ... ologie.php
Информация о новой разработке в первую очередь была опубликована на ряде немецких и американских форумов, поэтому данный отчёт является слегка “причёсанным” переводом с английского языка. С оригиналом на английском языке можно ознакомиться здесь:
https://azlforum.com/thread/2464/zmodel ... al-decoder
И здесь (требуется регистрация):
https://f.z-freunde-international.de/vi ... hp?t=20414
Одной из причин, послуживших началу данной разработки, стал тот факт, что меня не удовлетворяли ограничения миниатюрного цифрового декодера Doehler & Haass PD05A (наиболее подходящего для оцифровки моделей масштаба Z ввиду чрезвычайно крохотных размеров), в котором отсутствуют некоторые важные функции, представленные в полноценных декодерах типа Doehler & Haass DH05C, такие как поддержка аналогового режима, условий для функций, выходов AUX и некоторые другие. Замена прошивки декодера на таковую от другого декодера Doehler & Haas PD12A выглядела для меня не слишком убедительным решением, так как единственное, что она делала – это добавляла поддержку аналогового режима (ценой некоторых существующих возможностей PD05A), при этом все остальные ограничения, свойственные PD05A, оставались.
Для информации, Doehler & Haass имеет в своём ассортименте серию декодеров PD, отличающихся несколько урезанным набором функций и поэтому предлагаемых по более низкой цене. При этом разные декодеры из серии PD могут иметь разный набор функций, и прошивки от разных декодеров в рамках этой серии взаимозаменяемы. Например, один декодер может иметь поддержку аналогового режима, но не иметь поддержку протокола SelecTRIX (таковой ещё изредка используется в Германии старожилами, не желающими тратиться на замену цифрового оборудования), и наоборот.
Раньше я широко использовал очень маленькие декодеры в своё время достаточно известной австрийской фирмы CT Elektronik DCX77z для оцифровки некоторых моделей в масштабе Z, но после того, как эта фирма ушла с рынка после кончины её основателя и основного разработчика, Doehler & Haass PD05A остался практически единственным возможным вариантом для таких сложных проектов оцифровки.
Также известен тот факт, что декодеры CT Elektronik были по большей части очень капризными устройствами. Более того, они были склонны к полному выходу из строя часто после “малейшего вздоха”. Все это вместе, к сожалению, делало их не самым удачным вложением средств.
После успешной разработки ряда различных цифровых декодеров для вышеупомянутых локомотивов масштаба Z, а также используя другую модификацию дополнительного микроконтроллера Microchip с уменьшенной толщиной (0,5 мм против 0,9 мм) в моем цифровом декодере для локомотива Märklin DB V80 (модели 88803, 88804), мне пришла в голову идея разработать альтернативу декодеру Doehler & Haass PD05A, которая имела бы почти такие же размеры, но при этом была бы лишена каких-либо функциональных ограничений. Я решил использовать двухсторонний дизайн платы и разместить все самые тонкие электронные компоненты на одной стороне платы, а всё остальное — на другой.
Чтобы развести такую маленькую плату, мне впервые пришлось перейти на 4-слойный дизайн. Более того, было недостаточно просто использовать 4 слоя; также пришлось задействовать такую специфическую опцию, как слепые/скрытые переходные отверстия. В электронике переходное отверстие — это электрическое соединение между слоями в виде отверстия с металлическими стенками. В двухслойных платах переходные отверстия просверлены сквозь всю плату. Для печатных плат с большим количеством слоев часто необходимо соединять только отдельные слои. Слепые переходные отверстия соединяют внешние слои с внутренними, а скрытые переходные отверстия соединяют только внутренние слои:
Использование слепых/скрытых переходных отверстий значительно увеличивает стоимость производства печатной платы, но в данном случае без этой технологии было не обойтись. Даже несмотря на все принятые меры, программе-трассировщику оказалось не под силу полностью завершить процесс автоматической трассировки, и неоттрассированные соединения разводились затем вручную. Нижеприведенная картинка показывает, насколько сложна трассировка такой маленькой платы. Внешний вид платы, конечно же, не позволяет судить об этом:
Как известно, для увеличения нагрузочной способности устройства необходимо использовать максимально возможную ширину дорожек печатной платы. Тщательное ручное редактирование дорожек позволило увеличить общую нагрузочную способность цифрового декодера до 0.5А.
Чтобы максимально уменьшить толщину декодера, я решил использовать минимальную толщину печатной платы. Однако, это не так просто, учитывая наличие 4-х слоёв. Тем не менее, мне удалось найти производителя, который предложил общую толщину печатной платы всего 0.45 мм при толщине каждого слоя 0.1 мм.
Общая толщина цифрового декодера всего 2 мм. Для сравнения, Doehler & Haass PD05A имеет толщину 2.5 мм. Разница в 0.5 мм часто имеет решающее значение в некоторых случаях с маштабом Z. Несмотря на небольшую толщину материала, плата достаточно прочная – я остался очень доволен качеством, обеспечиваемым производителем. Для повышения качества и надёжности пайки маленьких SMD компонентов я использовал позолоту. Ну и на радость европейским приверженцам зелёной планеты, плата RoHS-совместима и не содержит свинца:
Итак, это стала моя первая разработка с использованием плат HDI (High Density Interconnect). Платы HDI представляют собой отдельный класс, который, как правило, обладает следующими свойствами:
- 4 и более слоев;
- Слепые/скрытые переходные отверстия;
- Переходные отверстия в контактных площадках;
- Дорожки минимальной ширины (0.1 мм);
- Малогабаритные компоненты и уплотнённая компоновка;
- Расположение компонентов по обеим сторонам печатной платы.
Всё вышеперечисленное было использовано в плате декодера ZM05A и позволило сделать его настолько миниатюрным. Размер – всего 9 х 5 х 2 мм. Общий объем составляет всего 90 мм3, что позволяет утверждать, что это самый маленький цифровой декодер в мире, представленный сейчас на рынке. Для сравнения, Doehler & Haass PD05A имеет общий объем 104 мм3, а ближайший конкурент Zimo MX615 имеет объем 93.5 мм3. Конечно, упомянутые выше декодеры CT Elektronik имели меньшие размеры, но они уже давно в прошлом.
Вот он – цифровой декодер Zmodell ZM05A. Верхняя сторона:
Нижняя сторона:
Сравнение размеров – Doehler & Haass DH05C (12.9 x 6.7 x 1.4 мм), Zmodell ZM05A (9 x 5 x 2 мм), Doehler & Haass PD05A (5.2 x 8.0 x 2.5 мм), CT Elektronik DCX77z (5 x 7.6 x 1,8 мм):
По функциям и возможностям Zmodell ZM05A идентичен декодеру Doehler & Haass DH05C, за исключением выходов ZCLK/AUX5 и ZDAT/AUX6, имеющихся в последнем. Все функции программного обеспечения, такие как расширенное программирование функций, условия для функций и, конечно же, аналоговый режим и всё остальное, присутствуют здесь в полном объёме.
Мне удалось успешно преодолеть еще одно ограничение Doehler & Haass PD05A и оснастить свой декодер максимально возможным количеством выходов. Помимо стандартных 6-ти выходов для рельсов, двигателя и освещения, мой декодер также имеет усиленные выходы AUX1, AUX2 и даже два логических неусиленных выхода AUX3 и AUX4. Кроме того, имеются выходы GND и VS. Последние два выхода очень важны в качестве общего провода для функций освещения и AUX, а также для подключения внешнего энергосберегающего модуля (Power Pack). Конечно, физическое расположение паяльных площадок несовместимо со стандартом NEM 651 ввиду крохотных размеров декодера, но основная область применения — оцифровка небольших локомотивов масштаба Z — делает это не столь важным.
Я также модифицировал прошивку и оптимизировал настройки для малогабаритных двигателей без сердечника, поскольку основная область использования — новые локомотивы масштаба Z, как раз оснащённые таким типом двигателей.
Декодер предлагается в двух вариантах: без проводных выводов и с 10 тонкими 21-жильными цветными проводами — рельсы, двигатель, передний/задний свет, AUX1, AUX2, GND и VS. Версия с проводами дополнительно упакована в тонкую термоусадочную трубку (не классического типа, а значительно более тонкую и жёсткую; такая обычно используется для упаковки литиевых аккумуляторов):
Новую разработку я уже успешно применил для оцифровки двух новых локомотивов из своей коллекции — паровоза BR 01 519 (Märklin 88019) и нового варианта паровоза BR 50 (Märklin 88846):
Декодеры ZM05A без проблем умещаются между крышей кабины и двигателем и практически незаметны снаружи. Как и ожидалось, всё работает безупречно. Ожидаю вопросы типа: для чего нужно было всё это разрабатывать – ведь можно было просто взять какой-нибудь уже существующий декодер, пусть не такой маленький, и разместить его в тендере. Краткий ответ: масштаб Z – это отдельный мир, во многом не похожий ни на что другое, даже на ближайший масштаб N, и поэтому данный вопрос, по моему мнению, выходит за рамки обсуждения данной темы. Если кого-то действительно интересует, почему в некоторых случаях действительно невозможно (или невыгодно) размещать декодер в тендере в паровозах масштаба Z – могу постараться объяснить это в отдельной теме и привести множество примеров. Опять-таки, данное утверждение не говорит о том, что это невозможно в принципе, но для некоторых случаев с некоторыми конкретными моделями размещение декодера в тендере не является оптимальным решением, ввиду чего в таких случаях для декодера ищется место в самом локомотиве.
Инструкцию по установке для цифрового декодера Zmodell ZM05A можно скачать по нижеприведенной ссылке. Я решил включить в неё ответы на ряд самых частых вопросов – таких как варианты подключения огней, буферных конденсаторов и т.д.:
https://drive.google.com/u/0/uc?id=1UEh ... t=download
С уважением,
Алексей
